InputStreamやInputStreamReaderやBufferedReaderの機能や役割の違い＋速度測定で比較をした結果共有

(０)目次＆概説

(１) 記事の目的
　 (１-１) 目的
　 (１-２) 前提条件
 (２) InputStreamやBufferedReaderとは？
　(２-１) 概要
　 (２-２) InputStream
　(２-３) InputStreamReader
　(２-４) BufferedReader
(３) InputStreamReaderやBufferedReaderの速度比較
　 (３-１) 検証概要／条件
　　 (３-１-１) 検証概要
　　 (３-１-２) 検証条件
　 (３-２) 検証結果／考察

(１) 記事の目的

(１-１) 目的

Javaでデータを読み込みするためのInputStreamクラスやInputStreamReaderやBufferReaderなどの違いや役割について知り、また読み込みの速度面での差についても理解します。

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(２) InputStreamやBufferedReaderとは？

(２-１) 概要

Stream系のクラス（InputStream、OutputStreamなど）はバイトの読み書きを行うために利用されます。StreamReader/系のクラス（InputStreamReader、OutputStreamWriter）は文字列の読み書きも扱えて、多くのエンコード／デコードメソッドもサポートしています。

更にBufferedReaderは上記に加え、性能向上のためデータをバッファと呼ばれるメモリ上の領域に蓄えて、ディスクI/Oやネットワークアクセス回数を削減しています。

InputStreamにも種類があり、それぞれ異なるデータソースに対してアクセスします。例えばFileInputStreamはファイル（txt等）を対象とし、ファイルからバイトを読み取ります。

（表）Input・Read系クラスの入出力概要

[パッケージ名].[クラス名]	入力（IN）データ形式	出力（OUT）データ形式	備考
java.lang.Object 　∟java.io.InputStream	バイト	バイト	引数無しのread()メソッドでは1バイトずつしか読めないため、漢字等のマルチバイト文字が読めない
java.lang.Object 　∟java.io.Reader 　　∟java.io.InputStreamReader	バイト	文字	引数無しのread()メソッドでも漢字等のマルチバイト文字が問題なく読める（Reader機能）
java.lang.Object 　∟java.io.Reader 　　∟java.io.BufferedReader	文字列？（バッファに蓄えられた文字列？）	文字列	マルチバイト文字が問題なく読める上に、バッファ機能により高速化されている

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(２-２) InputStream

・データの読み書きを行うためのクラスで、データを「連続したバイト」として読み込むのが特徴です。

・InputStreamのread()メソッドで次の「1バイト」を読み込みます。

・これを(char)等でキャストしてあげる事でバイトを文字に変換する事ができます（1文字取り出せる）。

・この仕組みはデータがファイルから提供される時やネットワーク越しに受領する時に効果を発揮します。

（例）

InputStream InStream = new FileInputStream("c:\\temp\\sample.txt");

（図２２２）
例えば「HelloWorld」という文字列のバイトデータがあった場合、InputStreamのread()メソッドではそれを１バイトずつ読み込みます。下図の例では初回のread()では１バイト目である「72」が読み込まれます。

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(２-３) InputStreamReader

データの読み書きを行うためのクラスで、InputStreamReaderはInputStremをラップしたクラスです。InputStreamでは次の「1バイト」を読み込むのに対して、InputStreamReaderでは文字を「1文字」ずつ読む事ができます。それにより、バイトストリームから文字ストリームへの橋渡しを行います。

ASCII文字など１バイトしか使用しない文字の場合、InputStreamとの違いを実感しにくいですが、漢字などのマルチバイト文字を読み込む際に明確な違いがあります。また、コンストラクタにて文字コードを指定する事で、バイトを読込んで指定されたcharsetを使用して文字にデコードする事も出来ます。

（図２２３）
例えば「HelloWorld」という文字列のバイトデータがあった場合、InputStreamReaderのread()メソッドではそれを１文字ずつ読み込みます。下図の例では初回のread()では１文字目である「H」のバイト値「72」が読み込まれて、「H」が取得されます（厳密にはchar型にキャストする）。

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(２-４) BufferedReader

BufferedReaderは「InputStreamReader」と「FileReader」をラップしたクラスです。ラップをする事で、バッファリングにより変換効率を上げる事ができます。以下はInputStreamReaderをラップした例です。

（例）BufferedReaderのコンストラクタでインスタンス作成

BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

効率が向上する理由は、バッファと呼ばれる領域に読み込んだデータを保持し（buffering）、そこから読み込みを行う事で都度ディスクI/Oが発生するのを防ぐ事が出来るためです。読込みはreadLine()メソッド等で読込みが行えますが、実際のプログラムのサンプルは３章の速度検証にて紹介します。

（図２４１）
例えば「HelloWorld」という文字列のバイトデータがあった場合、BufferReaderのreadLine()メソッドではそれを１行ずつ読み込みます。下図の例では初回のread()では１行目である「HelloWorld」のバイト値が読み込まれて、「HelloWorld」が取得されます。

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(３) InputStreamReaderやBufferedReaderの速度比較

(３-１) 検証概要／条件

(３-１-１) 検証概要

２章でInputStream、InputStreamReader、BufferedReaderの機能の違いについて見ました。各クラスにはそれぞれread()メソッドがあってデータを読み込めるものの、機能・性能的には異なっており、以下のような優劣関係になる想定です。

InputStream < InputStreamReader = BufferReader

今回の検証ではGitHubのWebAPIを用いて、上記の３種類のクラスのread()メソッドの時間計測を行い、仮説が正しいかどうかを確認します。

(３-１-２) 検証条件

＜検証環境＞

OS	ディストリビューション	CentOS release 6.10 (Final)
CPU	モデル	Intel(R) Xeon(R) Gold 6212U CPU @ 2.40GHz
	コア数	1
	論理プロセッサ数	2
Memory	メモリ	2GB
Java	バージョン	java version “1.8.0_231”

＜検証条件＞
・InputStream、InputStreamReader、BufferedReaderの３つのインスタンスのread()メソッドでの読み込み速度の比較を行います。
・読み込み対象のデータはGitHubのユーザー情報を取得するWebAPIを用いて、1247バイトのデータを読み込む（ほぼ全ての文字がASCII文字のため、ほぼ1247文字)
・計測区間の１つ目は「インスタンスの作成」で、これは初回作成時にヒープ領域に格納されて２回目以降は早くなる事が想定されるが、念のため１０回計測。
・計測区間の２つ目は「インスタンスの作成」でread()メソッドを用いて読み込みに要した時間を計測します。こちらも１０回ずつ計測を行います。

（図３１２）

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(３-２) 検証結果／考察

・約1250バイトを読む場合、BufferReaderクラスは他２つと比較して平均約3ms速かった。
・InputStreamReader自体はInputStreamと比べてほぼ同等速度だが、速度以外の面でマルチバイト文字（漢字など）が正しく読めている点でInputStreamよりも処理機能が向上している。
・今回の小規模な読み込みにおいては、読み込みの速度よりもInputStreamのインスタンス生成の時間の方が約100倍の時間（平均0.48秒）を要している。

①BufferReader

区分	Start	End	Time
インスタンス作成：１回目	16:22:54.709	16:22:54.709	0:00:00.000
インスタンス作成：２回目	16:23:51.049	16:23:51.050	0:00:00.001
インスタンス作成：３回目	16:23:57.271	16:23:57.271	0:00:00.000
インスタンス作成：４回目	16:24:07.367	16:24:07.368	0:00:00.001
インスタンス作成：５回目	16:24:19.200	16:24:19.201	0:00:00.001
インスタンス作成：６回目	16:24:27.206	16:24:27.206	0:00:00.000
インスタンス作成：７回目	16:24:34.954	16:24:34.955	0:00:00.001
インスタンス作成：８回目	16:24:42.062	16:24:42.063	0:00:00.001
インスタンス作成：９回目	16:24:52.708	16:24:52.709	0:00:00.001
インスタンス作成：１０回目	16:24:59.656	16:24:59.657	0:00:00.001
平均	–	–	0:00:00.001

区分	Start	End	Time
read()：1回目	16:22:54.709	16:22:54.711	0:00:00.002
read()：2回目	16:23:51.050	16:23:51.051	0:00:00.001
read()：3回目	16:23:57.271	16:23:57.273	0:00:00.002
read()：4回目	16:24:07.368	16:24:07.369	0:00:00.001
read()：5回目	16:24:19.201	16:24:19.202	0:00:00.001
read()：6回目	16:24:27.206	16:24:27.208	0:00:00.002
read()：7回目	16:24:34.955	16:24:34.957	0:00:00.002
read()：8回目	16:24:42.063	16:24:42.064	0:00:00.001
read()：9回目	16:24:52.709	16:24:52.710	0:00:00.001
read()：10回目	16:24:59.657	16:24:59.659	0:00:00.002
平均	–	–	0:00:00.002

②InputStreamReader

区分	Start	End	Time
インスタンス作成：１回目	16:48:41.067	16:48:41.068	0:00:00.001
インスタンス作成：２回目	16:50:10.680	16:50:10.680	0:00:00.000
インスタンス作成：３回目	16:51:02.717	16:51:02.719	0:00:00.002
インスタンス作成：４回目	16:53:49.629	16:53:49.630	0:00:00.001
インスタンス作成：５回目	16:56:40.031	16:56:40.032	0:00:00.001
インスタンス作成：６回目	16:57:28.538	16:57:28.538	0:00:00.000
インスタンス作成：７回目	16:59:39.880	16:59:39.881	0:00:00.001
インスタンス作成：８回目	17:00:25.076	17:00:25.076	0:00:00.000
インスタンス作成：９回目	17:01:10.176	17:01:10.176	0:00:00.000
インスタンス作成：１０回目	17:02:00.725	17:02:00.726	0:00:00.001
平均	–	–	0:00:00.001

区分	Start	End	Time
read()：1回目	16:48:41.068	16:48:41.071	0:00:00.003
read()：2回目	16:50:10.680	16:50:10.684	0:00:00.004
read()：3回目	16:51:02.719	16:51:02.723	0:00:00.004
read()：4回目	16:53:49.630	16:53:49.637	0:00:00.007
read()：5回目	16:56:40.032	16:56:40.036	0:00:00.004
read()：6回目	16:57:28.538	16:57:28.545	0:00:00.007
read()：7回目	16:59:39.881	16:59:39.885	0:00:00.004
read()：8回目	17:00:25.076	17:00:25.083	0:00:00.007
read()：9回目	17:01:10.176	17:01:10.183	0:00:00.007
read()：10回目	17:02:00.726	17:02:00.730	0:00:00.004
平均	–	–	0:00:00.005

③InputReader

区分	Start	End	Time
インスタンス作成：１回目	17:03:52.552	17:03:53.025	0:00:00.473
インスタンス作成：２回目	17:05:05.095	17:05:05.567	0:00:00.472
インスタンス作成：３回目	17:05:47.131	17:05:47.605	0:00:00.474
インスタンス作成：４回目	17:06:43.486	17:06:43.994	0:00:00.508
インスタンス作成：５回目	17:15:01.895	17:15:02.390	0:00:00.495
インスタンス作成：６回目	17:16:16.844	17:16:17.319	0:00:00.475
インスタンス作成：７回目	17:17:25.534	17:17:26.039	0:00:00.505
インスタンス作成：８回目	17:18:21.184	17:18:21.708	0:00:00.524
インスタンス作成：９回目	17:19:19.913	17:19:20.400	0:00:00.487
インスタンス作成：１０回目	17:20:29.653	17:20:30.121	0:00:00.468
平均	–	–	0:00:00.488

区分	Start	End	Time
read()：1回目	17:03:53.025	17:03:53.029	0:00:00.004
read()：2回目	17:05:05.567	17:05:05.571	0:00:00.004
read()：3回目	17:05:47.605	17:05:47.608	0:00:00.003
read()：4回目	17:06:43.994	17:06:43.999	0:00:00.005
read()：5回目	17:15:02.390	17:15:02.394	0:00:00.004
read()：6回目	17:16:17.319	17:16:17.324	0:00:00.005
read()：7回目	17:17:26.039	17:17:26.042	0:00:00.003
read()：8回目	17:18:21.708	17:18:21.711	0:00:00.003
read()：9回目	17:19:20.400	17:19:20.404	0:00:00.004
read()：10回目	17:20:30.121	17:20:30.124	0:00:00.003
平均	–	–	0:00:00.004

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